DE102015201175A1

DE102015201175A1 - Fuel cell and fuel cell stack

Info

Publication number: DE102015201175A1
Application number: DE102015201175.5A
Authority: DE
Inventors: Marcus Menzel; Matthew Hortop; Johannes Müller
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10) umfassend zwei gestapelte Bipolarplatten (11, 11‘) mit jeweils zumindest einem aktiven Bereich (20) und zumindest einem inaktiven Bereich (21) sowie ein Brennstoffzellenstapel (100) mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen. Es ist vorgesehen, dass zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten (11, 11‘) in einem Abschnitt (19) des inaktiven Bereichs (21) ein PTC-Widerstandselement (15) derart angeordnet ist, dass dieses in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (10) die beiden Bipolarplatten (11, 11‘) elektrisch leitend miteinander verbindet.The invention relates to a fuel cell (10) comprising two stacked bipolar plates (11, 11 ') each having at least one active region (20) and at least one inactive region (21) and a fuel cell stack (100) having a plurality of such fuel cells. It is provided that a PTC resistance element (15) is arranged between two adjacent bipolar plates (11, 11 ') in a section (19) of the inactive region (21) such that it depends on an operating temperature of the fuel cell (10). the two bipolar plates (11, 11 ') connects to one another in an electrically conductive manner.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle umfassend zwei gestapelte Bipolarplatten mit jeweils mindestens einem aktiven und inaktiven Bereich. Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl solcher Brennstoffzellen. The invention relates to a fuel cell comprising two stacked bipolar plates each having at least one active and inactive region. The invention further relates to a fuel cell stack having a plurality of such fuel cells.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component, the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode). In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. Between the individual membrane electrode assemblies bipolar plates (also called flow field plates) are usually arranged, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants, and usually also serve the cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up.

Im Betrieb einer Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. During operation of a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H ₂ or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H ₂ to H ⁺ takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H ⁺ from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air), so that a reduction of O ₂ to O ² taking place taking the electrons. At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water.

Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels. In order to supply a fuel cell stack with its operating media, so the reactants, this has on the one hand an anode supply and on the other hand, a cathode supply. The anode supply includes an anode supply path for supplying an anode operating gas into the anode compartments and an anode exhaust path for discharging an anode exhaust gas from the anode compartments. Similarly, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying a cathode operating gas into the cathode compartments and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas from the cathode compartments of the fuel cell stack.

Im Betrieb der Brennstoffzelle liegt auf Anodenseite der Brennstoffzelle ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff (H₂/N₂) vor und auf der Kathodenseite von Sauerstoff und Stickstoff (O₂/N₂). Beim Herunterfahren des Systems reagiert der restliche Sauerstoff ab, sodass anfänglich auf der Kathodenseite im Wesentlichen eine Stickstoffatmosphäre verbleibt. Nach dem Abschalten kommt es nach einer gewissen Standzeit jedoch zu einem Eindringen von Luftsauerstoff aus der Umgebung und von Wasserstoff aus den Anodenräumen über die Membran in die Kathodenräume des Stapels, sodass auf der Kathodenseite eine Atmosphäre aus N₂, O₂ und H₂ vorliegt. Diese bildet beim Wiederstart eine H₂/O₂-Front entlang des Strömungsfelds der Kathodenseite, die aufgrund der entstehenden elektrischen Potentiale zu einer erheblichen Alterung der Brennstoffzelle infolge Kohlenstoffkorrosion des Katalysatorträgermaterials sowie der GDL führt. Zudem verursacht der Sauerstoff eine Oxidbildung des katalytischen Materials der Elektroden. During operation of the fuel cell, a mixture of hydrogen and nitrogen (H ₂ / N ₂ ) is present on the anode side of the fuel cell and on the cathode side of oxygen and nitrogen (O ₂ / N ₂ ). When the system is shut down, the residual oxygen will react, initially leaving essentially a nitrogen atmosphere on the cathode side. After switching off, however, atmospheric oxygen from the environment and hydrogen from the anode chambers pass through the membrane into the cathode chambers of the stack after a certain service life, so that an atmosphere of N ₂ , O ₂ and H ₂ is present on the cathode side. This forms when restarting a H ₂ / O ₂ front along the flow field of the cathode side, which leads to significant aging of the fuel cell due to carbon corrosion of the catalyst support material and the GDL due to the resulting electrical potentials. In addition, the oxygen causes oxide formation of the catalytic material of the electrodes.

Um diese Effekte zu verhindern wird angestrebt, den Stapel beim Herunterfahren möglichst ohne Sauerstoff in den Kathodenräumen abzustellen und von der Umwelt zu trennen, um die schützende Atmosphäre aus Wasserstoff, Stickstoff möglichst lange auf Anoden- als auch auf Kathodenseite zu konservieren. Dieses gelingt zumeist aber nicht dauerhaft. In order to prevent these effects, the aim is to turn off the stack when shutting down as possible without oxygen in the cathode compartments and separate from the environment to conserve the protective atmosphere of hydrogen, nitrogen as long as possible on the anode and on the cathode side. This usually succeeds but not permanently.

Um zu verhindern, dass die entstehenden elektrischen Potentiale den Brennstoffzellenstapel schädigen, ist zudem bekannt, die Endplatten des Brennstoffzellenstapels nach dem Abschalten kurzzuschließen und somit einen äußeren Ausgleichsstrom zu ermöglichen. Dies kann allerdings nicht verhindern, dass sich innerhalb des Stapels in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung der einzelnen Elektrodenräume interne Potentiale ausbilden oder einzelne Zellen umgepolt werden. In order to prevent the resulting electrical potentials from damaging the fuel cell stack, it is also known to short-circuit the end plates of the fuel cell stack after switching off and thus to allow an external compensation current. However, this can not prevent internal potentials forming within the stack, depending on the gas composition of the individual electrode chambers, or reversing individual cells.

Ein Ansatz zum Potentialausgleich ist aus US 20100035090 A1 bekannt. Dort ist offenbart, PTC(positive temperature coefficient)-Widerstände in eine Einzelzellspannungsüberwachung zu integrieren. Nachteilig sind dabei unter anderem eine zusätzlich erforderliche Komponente sowie ein damit verbundener hoher Verkabelungsaufwand der einzelnen Zellen. An approach to equipotential bonding is off US 20100035090 A1 known. There is disclosed to integrate PTC (positive temperature coefficient) resistors in a single cell voltage monitoring. Disadvantages are, inter alia, an additionally required component and an associated high cabling complexity of the individual cells.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Stands der Technik zu lösen oder zumindest zu reduzieren. Insbesondere soll ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden, der einen Potentialausgleich der einzelnen Brennstoffzellen in den Betriebspausen der Brennstoffzelle ermöglicht, ohne zusätzliche Systeme, wie Einzelzellüberwachung oder eine externe Steuerung zu erfordern. The invention is based on the object to solve the problems of the prior art, or at least reduce. In particular, a fuel cell stack is to be provided, which enables potential equalization of the individual fuel cells in the operating pauses of the fuel cell, without requiring additional systems, such as single-cell monitoring or external control.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle umfassend zwei gestapelte Bipolarplatten mit jeweils mindestens einem aktiven und mindestens einem inaktiven Bereich mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen den zwei benachbarten Bipolarplatten in einem Abschnitt des inaktiven Bereichs ein PTC-Widerstandselement derart angeordnet ist, dass dieses in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle die beiden Bipolarplatten elektrisch leitend miteinander verbindet. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle liegt darin, dass im Stand der Brennstoffzelle, also außerhalb des Betriebs der Brennstoffzelle über das PTC-Widerstandselement Ausgleichsströme zwischen den Bipolarplatten fließen können. Somit ist gewährleistet, dass elektrische Potentiale, welche sich im Stand der Brennstoffzelle durch Diffusion, insbesondere von Luft in die Elektrodenräume der Brennstoffzelle, bilden können, über die Ausgleichsströme abgebaut werden und somit die Brennstoffzelle auf Dauer nicht schädigen. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, auf eine Einzelzellspannungsüberwachung zu verzichten. Somit ist eine mit der Einzelzellspannungsüberwachung verbundene Verdrahtung und Verschaltung der Brennstoffzellen ebenfalls nicht mehr notwendig. Ein weiterer entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist, dass sich das Brennstoffzellensystem autark regelt und keine Regelung oder Steuerung von außen notwendig ist. This object is achieved by a fuel cell comprising two stacked bipolar plates each having at least one active and at least one inactive region having the features of the independent claim. According to the invention, a PTC resistance element is arranged between the two adjacent bipolar plates in a section of the inactive region in such a way that it electrically conductively interconnects the two bipolar plates as a function of an operating temperature of the fuel cell. The advantage of the fuel cell according to the invention is that in the state of the fuel cell, so outside the operation of the fuel cell via the PTC resistor element equalization currents can flow between the bipolar plates. This ensures that electrical potentials which can form in the state of the fuel cell by diffusion, in particular of air into the electrode spaces of the fuel cell, are dissipated via the equalizing currents and thus do not damage the fuel cell in the long term. The solution according to the invention makes it possible to dispense with a single cell voltage monitoring. Thus, a wiring and interconnection of the fuel cells associated with the single cell voltage monitoring is also no longer necessary. Another decisive advantage of the fuel cell according to the invention is that the fuel cell system regulates autonomously and no control or control from the outside is necessary.

Mit anderen Worten wird in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle eine elektrisch leitende Verbindung in jeder Einzelzelle hergestellt, die reversibel und insbesondere passiv ist. Dabei ist in einem ersten Zustand bei einer Temperatur der Brennstoffzelle oberhalb einer ersten Grenztemperatur das PTC-Element im Wesentlichen nicht oder sehr gering leitend. Unterhalb einer zweiten Grenztemperatur, die identisch oder verschieden von der ersten Grenztemperatur ist, befindet sich das PTC-Element in einem zweiten Zustand, in dem es eine höhere elektrische Leitfähigkeit als im ersten Zustand besitzt. Die erste Grenztemperatur ist eine Temperatur, die vorzugsweise höchstens der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle entspricht. In other words, depending on the operating temperature of the fuel cell, an electrically conductive connection is produced in each individual cell, which is reversible and, in particular, passive. In this case, in a first state at a temperature of the fuel cell above a first limit temperature, the PTC element is essentially not or very slightly conductive. Below a second limit temperature, which is identical or different from the first limit temperature, the PTC element is in a second state in which it has a higher electrical conductivity than in the first state. The first limit temperature is a temperature which preferably corresponds at most to the operating temperature of the fuel cell.

Bei dem aktiven Bereich der Bipolarplatten handelt es sich um den Bereich, in dem die Brennstoffzellenreaktion stattfindet. Zu diesem Zweck grenzt innerhalb des Stapels eine Elektrode beziehungsweise Membran-Elektroden-Einheit an den aktiven Bereich an. Der zumindest eine inaktive Bereich wird durch den verbleibenden Rest der Bipolarplatte ausgebildet. Das heißt, vorliegend ist unter inaktivem Bereich die gesamte Bipolarplatte abzüglich des aktiven Bereichs zu verstehen, inklusive zumindest eines Verteilerbereichs. The active area of the bipolar plates is the area where the fuel cell reaction takes place. For this purpose, an electrode or membrane-electrode unit adjoins the active region within the stack. The at least one inactive region is formed by the remainder of the bipolar plate. That is to say, in the present case, the term inactive area means the entire bipolar plate minus the active area, including at least one distributor area.

Die autarke Regelung der leitenden Verbindung findet in Abhängigkeit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle statt. Beim Herunterfahren der Brennstoffzelle sinkt die Betriebstemperatur zwangsläufig ab. Im Zuge dessen wird der PTC-Widerstand niederohmig, sein elektrischer Widerstand nimmt ab und seine elektrische Leitfähigkeit nimmt zu und ermöglicht somit einen Fluss von Ausgleichsströmen zwischen den Bipolarplatten. Zu diesem Zweck steht das PTC-Widerstandselement zumindest indirekt mit den benachbarten Bipolarplatten in leitendem Kontakt. The autarkic regulation of the conductive connection takes place as a function of the operating temperature of the fuel cell. When the fuel cell shuts down, the operating temperature inevitably drops. In the course of this, the PTC resistor becomes low-impedance, its electrical resistance decreases and its electrical conductivity increases, thus enabling a flow of equalizing currents between the bipolar plates. For this purpose, the PTC resistance element is at least indirectly in conductive contact with the adjacent bipolar plates.

PTC-Widerstände (positive temperature coefficient) sind sogenannte Kaltleiterelemente. Hierbei handelt es sich um stromleitende Materialien, die bei tieferen Temperaturen den Strom besser leiten können als bei hohen. Der elektrische Widerstand vergrößert sich bei steigender Temperatur. Diese Art von Widerständen, die zur Gruppe der Thermistoren gehört, besitzt somit einen positiven Temperaturkoeffizienten. Prinzipiell haben alle Metalle einen positiven Temperaturkoeffizienten, sind also Kaltleiter. Im Unterschied zu den hier verwendeten Bauelementen ist der Temperaturkoeffizient von Metallen jedoch wesentlich kleiner und weitestgehend linear, ähnlich wie bei den wegen ihrer Linearität als Temperatursensoren eingesetzten Pt 100. PTC resistors (positive temperature coefficient) are so-called PTC elements. These are conductive materials that conduct electricity better at lower temperatures than at high temperatures. The electrical resistance increases with increasing temperature. This type of resistor, which belongs to the group of thermistors, thus has a positive temperature coefficient. In principle, all metals have a positive temperature coefficient, ie they are PTC thermistors. In contrast to the components used here, however, the temperature coefficient of metals is much smaller and largely linear, similar to the Pt 100 used as temperature sensors because of their linearity.

Vorzugsweise ist der PTC-Widerstand aus einer halbleitenden, polykristallinen Keramik gefertigt (zum Beispiel Bariumtitanat), die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Sperrschicht an den Korngrenzen aufbaut. Ebenfalls bevorzugt sind PTC-Widerstände auf Basis von dotiertem Silicium, da diese sich durch eine besonders geringe Baugröße, eine geringe Einstellzeit, enge Toleranzen und gute Langzeitstabilitäten auszeichnen. Preferably, the PTC resistor is made of a semiconducting, polycrystalline ceramic (for example, barium titanate) which builds up a barrier layer at the grain boundaries in a certain temperature range. Also preferred are PTC resistors based on doped silicon, since they are characterized by a particularly small size, a short response time, tight tolerances and good long-term stability.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Abschnitt des inaktiven Bereichs durch ein die Bipolarplatten verbindendes Dichtmaterial umlaufend begrenzt oder ausgefüllt. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass das PTC-Widerstandselement von den Betriebsmedien der Brennstoffzelle isoliert ist. Das verbindende Dichtmaterial ist dazu derart ausgebildet, dass der Abschnitt gasdicht und insbesondere wasserdicht abgeschlossen ist. Zu diesem Zweck ist das Dichtmaterial umlaufend, also den Abschnitt des inaktiven Bereichs begrenzend, um den Abschnitt angeordnet. Alternativ ist das PTC-Widerstandselement in dem Dichtmaterial eingebettet, was vorzugsweise durch Vergießen des PTC-Widerstandselements mit dem Dichtmaterial erfolgt. Bevorzugt stellt das Dichtmaterial umlaufend um das PTC-Widerstandselement eine dichtende Verbindung zwischen den beiden Bipolarplatten her. Das verbindende Dichtmaterial umfasst insbesondere ein Polymer, wie beispielsweise ein Elastomer, einen Duroplasten oder ein thermoplastisches Elastomer. Dabei zeichnen sich Elastomere, wie beispielsweise Silikone, und thermoplastische Elastomere dadurch aus, dass sie auch nach Aushärten des Materials eine gewisse Elastizität beibehalten und somit im Betrieb der Brennstoffzelle toleranter gegenüber physischen Veränderungen wie Temperatur, Druck und Stoß sind. Duroplasten, insbesondere Harze eigenen sich zur Ausgestaltung als Dichtmaterial, da sie besonders langzeitstabil sind und gegenüber den Reaktantengasen und insbesondere Wasser eine hohe Dichtigkeit aufweisen. Duroplasten, insbesondere Harze, werden vorzugsweise zum Verguss des PTC-Widerstandselements verwendet. In a preferred embodiment of the invention, the portion of the inactive region is circumferentially bounded or filled by a sealing material connecting the bipolar plates. This embodiment offers the advantage that the PTC resistance element is isolated from the operating media of the fuel cell. The connecting sealing material is for this purpose designed such that the section is sealed gas-tight and in particular waterproof. For this purpose, the sealing material is circumferentially, thus limiting the portion of the inactive region, arranged around the section. alternative the PTC resistance element is embedded in the sealing material, which is preferably done by casting the PTC resistive element with the sealing material. The sealing material around the PTC resistance element preferably produces a sealing connection between the two bipolar plates. The connecting sealing material comprises in particular a polymer, such as an elastomer, a thermoset or a thermoplastic elastomer. Elastomers, such as silicones, and thermoplastic elastomers are characterized by the fact that they retain a certain elasticity even after hardening of the material and are therefore more tolerant to physical changes such as temperature, pressure and shock during operation of the fuel cell. Duroplastics, in particular resins are suitable for the design as a sealing material, since they are particularly long-term stability and compared to the reactant gases and in particular water have a high density. Thermosets, in particular resins, are preferably used to encapsulate the PTC resistor element.

Ferner ist bevorzugt, dass die Bipolarplatte im Bereich des Abschnitts des inaktiven Bereichs eine Aussparung und/oder eine Vertiefung aufweist, in der das PTC-Widerstandselement angeordnet ist. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass zwischen den Bipolarplatten keine oder nur geringe zusätzliche Abstände oder Zwischenräume entstehen, die überbrückt, abgedichtet und/oder abgestützt werden müssten. Zudem wird der benötigte Bauraum, insbesondere die Höhe der Brennstoffzelle nicht vergrößert. Furthermore, it is preferred that the bipolar plate has a recess and / or a depression in the region of the portion of the inactive region in which the PTC resistance element is arranged. Advantage of this embodiment is that between the bipolar plates no or only small additional distances or gaps arise that would have to be bridged, sealed and / or supported. In addition, the required space, in particular the height of the fuel cell is not increased.

Aussparungen und Vertiefungen ist gemein, dass das Oberflächenniveau der Bipolarplatte im Bereich der Aussparungen oder Vertiefungen abgesenkt ist, insbesondere sich die Bipolarplatten in diesem Bereich nicht berühren. Im Unterschied zur Vertiefung weist die Aussparung dabei diskrete Kanten auf. Recesses and depressions have in common that the surface level of the bipolar plate is lowered in the region of the recesses or depressions, in particular the bipolar plates do not touch in this area. In contrast to the recess, the recess has discrete edges.

In einer Ausgestaltung steht das PTC-Widerstandselement in direktem Berührungskontakt mit einer oder beiden benachbarten Bipolarplatten und ist somit mit dieser elektrisch verbunden. In one embodiment, the PTC resistor element is in direct physical contact with one or both adjacent bipolar plates and is thus electrically connected thereto.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das PTC-Widerstandselement über ein Kontaktelement mit zumindest einer der beiden Bipolarplatten elektrisch leitend verbunden ist. Dies ermöglicht eine zuverlässigere Anordnung und Kontaktierung bei der Verbauung des PTC-Widerstandselements, da Fertigungstoleranzen über das Kontaktelement ausgeglichen werden können. Zudem kann das PTC-Widerstandselement flacher ausgeführt werden als die Höhe des Abschnitts beziehungsweise als der maximale Abstand zwischen den Bipolarplatten innerhalb des Abschnitts, was wiederum die Freiheitsgrade in der Fertigung erhöht und den Materialaufwand in Bezug auf das PTC-Widerstandselement reduziert. Die Verwendung von Kontaktelementen verbessert zudem die elektrische Kontaktierung zwischen Bipolarplatte und PTC-Widerstandselement. In an alternative embodiment of the invention, it is provided that the PTC resistance element is electrically conductively connected to at least one of the two bipolar plates via a contact element. This allows a more reliable arrangement and contacting during the installation of the PTC resistor element, since manufacturing tolerances can be compensated via the contact element. In addition, the PTC resistance element can be made flatter than the height of the portion or as the maximum distance between the bipolar plates within the section, which in turn increases the degrees of freedom in manufacturing and reduces the cost of materials with respect to the PTC resistance element. The use of contact elements also improves the electrical contact between bipolar plate and PTC resistance element.

Mit Vorteil ist das PTC-Widerstandselement über ein erstes Kontaktelement mit einer ersten der beiden Bipolarplatten und über ein zweites Kontaktelement mit einer zweiten der beiden benachbarten Bipolarplatten elektrisch leitend verbunden, da dies zusätzliche Freiheitsgrade mit sich bringt. Die Kontaktelemente stehen hierbei nicht miteinander in Kontakt, sondern sind vielmehr durch das PTC-Widerstandselement voneinander getrennt. Advantageously, the PTC resistance element is electrically conductively connected via a first contact element to a first of the two bipolar plates and via a second contact element to a second of the two adjacent bipolar plates, since this brings about additional degrees of freedom. The contact elements are not in contact with each other, but rather are separated from each other by the PTC resistor element.

Unter Kontaktelement wird ein Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verstanden. Geeignete Materialien zur Verwendung als Kontaktelement sind beispielsweise Metalle sowie Metalllegierungen mit einer hohen Leitfähigkeit. By contact element is meant a material having a high electrical conductivity. Suitable materials for use as a contact element are, for example, metals and metal alloys with a high conductivity.

Ferner ist bevorzugt, dass das Kontaktelement als Draht, Feder, Plättchen oder Stäbchen ausgebildet ist. Insbesondere die Verwendung von Kontaktfedern führt mit Vorteil dazu, dass diese während des Verspannungsvorgangs des Brennstoffzellenstapels zusammengedrückt werden und somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Bipolarplatte und PTC-Widerstandselement auch bei variablen Abständen zwischen Bipolarplatte und PTC-Widerstandselement und höheren Fertigungstoleranzen sichergestellt ist. Furthermore, it is preferred that the contact element is designed as a wire, spring, plate or rod. In particular, the use of contact springs advantageously leads to them being compressed during the stressing process of the fuel cell stack and thus ensuring an electrically conductive connection between bipolar plate and PTC resistance element even with variable distances between bipolar plate and PTC resistance element and higher manufacturing tolerances.

Zwischen dem ersten Kontaktelement und der zweiten Bipolarplatte und/oder zwischen dem zweiten Kontaktelement und der ersten Bipolarplatte ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ein Isolator angeordnet. Auf diese Weise wird eine stabile mechanische Verbindung vorzugsweise zu beiden Bipolarplatten hergestellt. Der Isolator stellt zudem, insbesondere während des Betriebs der Bipolarplatte, sicher, dass kein dauerhafter Kurzschluss der beiden Bipolarplatten durch das leitfähige Kontaktelement besteht, durch welchen das PTC-Widerstandselement elektrisch über das Kontaktelement umgangen wird. Der Isolator findet vorzugsweise dann Verwendung, wenn das Kontaktelement als Plättchen oder als Stäbchen ausgeführt ist. Between the first contact element and the second bipolar plate and / or between the second contact element and the first bipolar plate, an insulator is arranged in a preferred embodiment of the invention. In this way, a stable mechanical connection is preferably made to both bipolar plates. The insulator also ensures, especially during operation of the bipolar plate, that there is no permanent short circuit of the two bipolar plates by the conductive contact element, by which the PTC resistance element is electrically bypassed via the contact element. The insulator is preferably used when the contact element is designed as a plate or as a rod.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Brennstoffzellen. Another aspect of the invention relates to a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells according to the invention.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are unless otherwise stated in the individual case, can be combined with each other with advantage.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels, 1 a schematic representation of a fuel cell stack,

2 eine Prinzipskizze möglicher Zustände von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel im Stand, 2 a schematic diagram of possible states of fuel cells in a fuel cell stack in the state,

3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in Aufsicht in einer ersten Ausführungsform, 3 a schematic representation of a bipolar plate according to the invention in a plan view in a first embodiment,

4 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines inaktiven Bereichs der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der ersten Ausführungsform, 4 a schematic representation of a portion of an inactive region of the bipolar plate according to the invention in the first embodiment,

5 eine skizzierte Querschnittzeichnung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der ersten Ausführungsform, 5 a sketched cross-sectional drawing of the bipolar plate according to the invention in the first embodiment,

6 eine skizzierte Querschnittzeichnung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer zweiten Ausführungsform, 6 a sketched cross-sectional drawing of the bipolar plate according to the invention in a second embodiment,

7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapel, 7 a schematic representation of a fuel cell stack,

8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts zweier Bipolarplatten in einer ersten alternativen Ausführungsform, und 8th a schematic representation of a cross section of two bipolar plates in a first alternative embodiment, and

9 eine schematische Explosionsdarstellung einer Bipolarplatte in einer zweiten alternativen Ausführungsform. 9 a schematic exploded view of a bipolar plate in a second alternative embodiment.

1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel 100. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst zwei Endplatten 112, zwischen denen eine Vielzahl gestapelter Stapelelemente angeordnet ist, welche Bipolarplatten 11 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 umfassen. Die Bipolarplatten 11 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 14 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 14 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode. An den Elektroden anliegend können die Membran-Elektroden-Einheiten 14 zudem Gasdiffusionsschichten (nicht dargestellt) aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 11 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 sind jeweils Dichtungselemente 22 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten. Zwischen den Endplatten 112 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Zugelementen 111, zum Beispiel Zugstangen oder Spannblechen, verpresst. 1 shows a highly schematic representation of a fuel cell stack 100 , The fuel cell stack 100 includes two end plates 112 between which a plurality of stacked stack elements is arranged, which bipolar plates 11 and membrane-electrode assemblies 14 include. The bipolar plates 11 are with the membrane electrode units 14 alternately stacked. The membrane-electrode units 14 each comprise a membrane and on both sides of the membrane subsequent electrodes, namely an anode and a cathode. Adjacent to the electrodes, the membrane-electrode units 14 also have gas diffusion layers (not shown). Between the bipolar plates 11 and membrane-electrode assemblies 14 are each sealing elements 22 arranged, which seal the anode and cathode chambers gas-tight to the outside. Between the end plates 112 is the fuel cell stack 100 by means of tension elements 111 , For example, tie rods or clamping plates, pressed.

In 1 sind von den Bipolarplatten 11 und den Membran-Elektroden-Einheiten 14 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptseiten der Bipolarplatten 11 und der Membran-Elektroden-Einheiten 14 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 11 und einer Membran-Elektroden-Einheit 14, wenige mm, insbesondere maximal 2 mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 14 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt. In 1 are from the bipolar plates 11 and the membrane electrode assemblies 14 only the narrow sides visible. The main sides of the bipolar plates 11 and the membrane electrode assemblies 14 lie against each other. The representation in 1 is not dimensionally accurate. Typically, a thickness of a single cell consisting of a bipolar plate 11 and a membrane-electrode assembly 14 , a few mm, in particular a maximum of 2 mm, the membrane-electrode unit 14 the much thinner component is. In addition, the number of single cells is usually much larger than shown.

In 2 ist eine Prinzipskizze möglicher Zustände von in einem Brennstoffzellenstapel 100 angeordneten Brennstoffzellen 10 im abgeschalteten Zustand gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist nach dem in 1 gezeigten Prinzip aufgebaut und umfasst somit abwechselnd gestapelte Brennstoffzellen 10, die an den Enden des Brennstoffzellenstapels 100 durch Endplatten 112 abgeschlossen sind. Die Endplatten 112 sind durch einen äußeren Stromkreis 2 elektrisch leitend verbunden. In diesem Fall kommt es zu einem Kurzschluss IV, in dem ein Strom direkt über die leitende Verbindung fließt. In 2 is a schematic diagram of possible states of in a fuel cell stack 100 arranged fuel cells 10 shown in the off state. The fuel cell stack 100 is after the in 1 constructed principle and thus includes alternately stacked fuel cells 10 at the ends of the fuel cell stack 100 through end plates 112 Are completed. The end plates 112 are through an external circuit 2 electrically connected. In this case, there is a short circuit IV, in which a current flows directly through the conductive connection.

Die Brennstoffzellen 10 weisen jeweils eine von je zwei Bipolarplatten 11 begrenzte Membran-Elektroden-Einheit 14 auf. Jede Membran-Elektroden-Einheit 14 umfasst eine Anode 12 und eine Kathode 13. The fuel cells 10 each have one of two bipolar plates 11 limited membrane electrode unit 14 on. Each membrane-electrode unit 14 includes an anode 12 and a cathode 13 ,

Die Elektrodenräume der Anoden 12 und Kathoden 13 können im dargestellten abgeschalteten Zustand unterschiedliche Gaszusammensetzungen aufweisen, die eine Potentialbildung durch Umpolung (siehe Zelle I) der Brennstoffzelle, oder die Ausbildung einer H₂/O₂-Front (Zelle II) zur Folge haben können. The electrode spaces of the anodes 12 and cathodes 13 In the illustrated switched-off state, they can have different gas compositions which can result in potential formation by reversal of polarity (see cell I) of the fuel cell or formation of an H ₂ / O ₂ front (cell II).

Der gezeigte Brennstoffzellenstapel 100 weist eine externe Einzelzellüberwachung 1 auf. Diese weist in jeder Zelle 10 einen regelbaren Widerstand auf, der in Abhängigkeit der Messgrößen der Einzelzellüberwachung niederohmig oder hochohmig geschaltet werden kann. Dies hat die Funktion, in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels eine elektrische Leitung und somit einen Kurzschluss zwischen den Bipolarplatten 11 herbeizuführen und somit Ausgleichsströme zuzulassen. The shown fuel cell stack 100 has an external single cell monitoring 1 on. This points in every cell 10 a controllable resistance, which can be switched depending on the measured variables of the single cell monitoring low impedance or high impedance. This has the function, depending on operating parameters of the fuel cell stack, an electrical line and thus a short circuit between the bipolar plates 11 bring about and thus allow compensatory currents.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 11 in Aufsicht in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Bipolarplatte 11 weist einen aktiven Bereich 20 und einen inaktiven Bereich 21 auf. Zur Generierung einer Brennstoffzellenreaktion wird im aktiven Bereich 20 eine Membran-Elektroden-Einheit angeordnet. Der inaktive Bereich 21 weist zwei Verteilerbereiche auf, die Hauptgaskanäle zur Versorgung des aktiven Bereichs 20 mit Reaktanten und Kühlmittel aufweisen. Zudem weist der inaktive Bereich 21 der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 11 einen Abschnitt 19 auf, in dem ein PTC-Widerstandselement 15 angeordnet ist. 3 shows a schematic representation of a bipolar plate according to the invention 11 in plan view in a first preferred embodiment. The bipolar plate 11 has an active area 20 and an inactive area 21 on. To generate a Fuel cell reaction becomes active 20 a membrane electrode assembly arranged. The inactive area 21 has two distribution areas, the main gas channels for supplying the active area 20 having reactants and coolant. In addition, the inactive area points 21 the bipolar plate according to the invention 11 a section 19 in which a PTC resistor element 15 is arranged.

Das PTC-Widerstandselement ist ein Kaltleiter, der bei Temperaturen oberhalb von 50°C derart hochohmig ist, dass die elektrische Leitfähigkeit vernachlässigt werden kann. Bei Temperaturen unterhalb von 50°C reduziert sich der Widerstand und das PTC-Widerstandselement 15 wird elektrisch leitend. Als PTC-Widerstandselement 15 werden beispielsweise halbleitende, polykristalline Keramiken eingesetzt (zum Beispiel Bariumtitanat), die in einem bestimmten Temperaturbereich eine Sperrschicht an den Korngrenzen aufbauen. Eine Alternative bilden PTC-Widerstandselemente auf Basis von dotiertem Silicium. The PTC resistance element is a PTC thermistor, which is so high-resistance at temperatures above 50 ° C, that the electrical conductivity can be neglected. At temperatures below 50 ° C, the resistance and the PTC resistance element are reduced 15 becomes electrically conductive. As a PTC resistor element 15 For example, semiconducting, polycrystalline ceramics (for example barium titanate) are used which build up a barrier layer at the grain boundaries within a certain temperature range. An alternative is formed by doped silicon based PTC resistor elements.

Der Abschnitt 19 verfügt ferner über ein Dichtmaterial 16, welches den Abschnitt 19 zumindest umlaufend umschließt. Das Dichtmaterial ist derart angeordnet, dass es im Brennstoffzellenstapel zwei benachbarte Bipolarplatten gasdicht miteinander verbindet. Alternativ füllt das Dichtmaterial 16 den Abschnitt 19 aus und bettet das PTC-Widerstandselement 15 ein. Geeignete Materialien sind Polymere, insbesondere Duroplasten wie Harze, aber auch Elastomere wie Silikone. The section 19 also has a sealing material 16 which is the section 19 encloses at least circulating. The sealing material is arranged such that it connects in the fuel cell stack two adjacent bipolar plates gas-tight. Alternatively, the sealing material fills 16 the section 19 and embeds the PTC resistor element 15 one. Suitable materials are polymers, in particular thermosets such as resins, but also elastomers such as silicones.

4, 5 und 6 zeigen jeweils eine schematische Darstellung des Abschnitts 19 des inaktiven Bereichs 21 der erfindungsgemäßen Bipolarplatte als Detailzeichnung der in 3 beschriebenen Ausführungsform. Dabei zeigen die 5 und 6 Querschnitte der jeweiligen Ausführungsform, während 4 eine perspektivische Darstellung der in 5 im Querschnitt gezeigten Ausführungsform zeigt. 4 . 5 and 6 each show a schematic representation of the section 19 of the inactive area 21 the bipolar plate according to the invention as a detail of the in 3 described embodiment. The show 5 and 6 Cross sections of the respective embodiment, while 4 a perspective view of in 5 In the embodiment shown in cross section.

In den gezeigten Ausführungsformen ist das Dichtelement 16 als eine das PTC-Widerstandselement 15 umlaufende Wandung ausgebildet. Das Dichtmaterial 16 steht hierbei nicht mit dem PTC-Widerstandselement 15 in Kontakt. Das Dichtmaterial 16 ist dabei derart angeordnet, dass es umlaufend keine Durchbrüche aufweist und somit umlaufend gas- und wasserdicht ausgebildet ist. Alternativ kann das Dichtmaterial 16 den Abschnitt 19 ganz oder teilweise ausfüllen und das PTC-Widerstandselement 15 einbetten. In the embodiments shown, the sealing element 16 as one the PTC resistor element 15 encircling wall formed. The sealing material 16 does not stand with the PTC resistor element 15 in contact. The sealing material 16 is arranged such that it has circumferentially no breakthroughs and thus circumferentially gas and waterproof is formed. Alternatively, the sealing material 16 the section 19 fill in whole or in part and the PTC resistor element 15 embed.

Das PTC-Widerstandselement 15 ist in den gezeigten Ausgestaltungen über zwei Kontaktelemente 17, 17‘ mit jeweils einer benachbarten Bipolarplatte 11, 11‘ elektrisch leitend verbunden. The PTC resistor element 15 is in the embodiments shown via two contact elements 17 . 17 ' each with an adjacent bipolar plate 11 . 11 ' electrically connected.

Die Kontaktelemente 17, 17‘ umfassen leitfähige Materialien, wie beispielsweise Metalle oder Metalllegierungen. Sie können als Plättchen, wie in 4 und 5 gezeigt, oder als Federn, wie in 6 gezeigt, ausgebildet sein. The contact elements 17 . 17 ' include conductive materials such as metals or metal alloys. They can be called platelets, as in 4 and 5 shown, or as feathers, as in 6 shown to be trained.

In der in den 4 und 5 gezeigten Ausführung ist das PTC-Widerstandselement 15 über ein erstes, insbesondere streifenförmig ausgebildetes Kontaktelement 17 mit der ersten Bipolarplatte 11 verbunden und über ein zweites, gleichartig ausgebildetes Kontaktelement 17‘ mit der zweiten benachbarten Bipolarplatte 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kontaktelement 17 und der zweiten Bipolarplatte 11‘ sowie zwischen dem zweiten Kontaktelement 17 und der ersten Bipolarplatte 11 ist jeweils ein Isolator 18 angeordnet. Dieser weist eine sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit auf und ist beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. In the in the 4 and 5 The embodiment shown is the PTC resistance element 15 via a first, in particular strip-shaped contact element 17 with the first bipolar plate 11 connected and via a second, similarly trained contact element 17 ' with the second adjacent bipolar plate 11 connected. Between the first contact element 17 and the second bipolar plate 11 ' and between the second contact element 17 and the first bipolar plate 11 is each an insulator 18 arranged. This has a very low electrical conductivity and is made for example of a plastic material.

In 5 ist ferner erkennbar, dass der Abschnitt 19 und das PTC-Element 15 in Vertiefungen angeordnet sind, die in jeder der beiden Bipolarplatten 11, 11‘ vorhanden sind. In 5 It can also be seen that the section 19 and the PTC element 15 are arranged in recesses in each of the two bipolar plates 11 . 11 ' available.

Über die in den 3 bis 6 gezeigten PTC-Widerstandselemente 15 sind jeweils zwei benachbarte Bipolarplatten 11, 11‘ temperaturabhängig elektrisch leitend miteinander verbunden. Da es sich bei den PTC-Widerstandselementen 15 um Kaltleiter handelt, ist die Verbindung zwischen den über das PTC-Widerstandselement 15 verbundenen Bipolarplatten 11, 11‘ dann elektrisch leitend, wenn die Temperatur am PTC-Widerstandselement 15 unter 30 sinkt, und somit unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt. In diesem Zustand können also Ströme zwischen den ansonsten isolierten Bipolarplatten 11, 11‘ fließen und somit Potentiale, die sich infolge von veränderten Gaszuständen in den Brennstoffzellen ausbilden (siehe 2) passiv ausgeglichen werden. About in the 3 to 6 shown PTC resistor elements 15 each are two adjacent bipolar plates 11 . 11 ' Temperature dependent electrically connected to each other. As it is the PTC resistor elements 15 to PTC resistor is the connection between the PTC resistor element 15 connected bipolar plates 11 . 11 ' then electrically conductive when the temperature at the PTC resistor element 15 under 30 decreases, and thus lies below the operating temperature of the fuel cell. In this state, therefore, currents between the otherwise isolated bipolar plates 11 . 11 ' flow and thus potentials that form as a result of changing gas conditions in the fuel cells (see 2 ) be compensated passively.

Der erwähnte Potentialausgleich kann alternativ durch die in den 8 und 9 gezeigten Bipolarplatten erfolgen. The mentioned potential equalization can alternatively by in the 8th and 9 Bipolar plates shown done.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 100 in einer perspektivischen Ansicht. In Aufsicht auf den Brennstoffzellenstapel 100 ist eine Bipolarplatte 11 gezeigt, die einen aktiven Bereich 20 mit einem Flussfeld aufweist. Innerhalb des Flussfeldes sind beispielhafte Strömungen 121 von Reaktantengasen durch Pfeile angedeutet. Diese zeigen den Verlauf eines Reaktantengases, beispielsweise Luft, von einem Verteilerbereich 120, der einen Hauptgaskanal des entsprechenden Reaktanten aufweist, auf einer Seite des aktiven Bereichs 20 über den aktiven Bereich 20 hin zu einem zweiten Verteilerbereich 120 mit ebenfalls einem Hauptgaskanal für den Reaktanten. Innerhalb des Verteilerbereichs 120, insbesondere benachbart zum Hauptgaskanal, kann ein leitfähiges Element 125 angeordnet sein. 8 zeigt eine Detailzeichnung des leitfähigen Elements 125 in zwei Betriebszuständen der Brennstoffzelle. 7 shows a schematic representation of a fuel cell stack 100 in a perspective view. In plan view of the fuel cell stack 100 is a bipolar plate 11 shown an active area 20 having a flow field. Within the flow field are exemplary flows 121 of reactant gases indicated by arrows. These show the course of a reactant gas, for example air, from a distributor area 120 having a main gas channel of the corresponding reactant on one side of the active region 20 over the active area 20 towards a second distribution area 120 also with a main gas channel for the reactant. Within the distribution area 120 , in particular adjacent to the main gas channel, may be a conductive element 125 be arranged. 8th shows a detailed drawing of the conductive element 125 in two operating states of the fuel cell.

In 8 gezeigt ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Bipolarplatte in einer ersten alternativen Ausführungsform. Gezeigt sind zwei im Brennstoffzellenstapel benachbarte Bipolarplatten 11. Zumindest eine der Bipolarplatten 11 weist eine Profilierung auf, die einen Strömungskanal 122 für das Reaktantengas ausbildet. Innerhalb des Strömungskanals bildet sich im Betrieb der Brennstoffzelle die Strömung 121 des Reaktantengases aus. Im Stand der Brennstoffzelle, also außerhalb des Betriebs weist der Strömungskanal 122 keine Strömung 121 auf. Zwischen Strömungskanal 122 und Bipolarplatte 11 ist im aktiven Bereich 20 eine Membran-Elektroden-Einheit 14 angeordnet. Im inaktiven Bereich 21 ist, im Strömungskanal das leitfähige Element 125 angeordnet. In 8th Shown is a schematic representation of a cross section of the bipolar plate in a first alternative embodiment. Shown are two adjacent in the fuel cell stack bipolar plates 11 , At least one of the bipolar plates 11 has a profiling that has a flow channel 122 forms for the reactant gas. Within the flow channel, the flow is formed during operation of the fuel cell 121 of the reactant gas. In the state of the fuel cell, ie outside the operation, the flow channel 122 no flow 121 on. Between flow channel 122 and bipolar plate 11 is in the active area 20 a membrane-electrode unit 14 arranged. In the inactive area 21 is, in the flow channel the conductive element 125 arranged.

Bei dem leitfähigen Element 125 handelt es sich um ein flexibles Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kohlenstoff, einem Metall, oder einer Metalllegierung. Das leitfähige Element 125 ist derart im Strömungskanal angeordnet, dass es mit einer Bipolarplatte 11, nämlich der aus Schwerkraftsicht (g) oben liegenden, elektrisch leitend fest verbunden ist, während sie mit der benachbarten Bipolarplatte 11 nur unter bestimmten Voraussetzungen eine elektrisch leitende Verbindung eingeht. In the conductive element 125 it is a flexible material with high electrical conductivity, such as carbon, a metal, or a metal alloy. The conductive element 125 is arranged in the flow channel such that it is connected to a bipolar plate 11 , namely, from the top of gravity (g) overhead, is electrically connected firmly, while with the adjacent bipolar plate 11 only under certain conditions enters into an electrically conductive connection.

Fließt im Strömungskanal 122 eine Strömung 121 des Reaktantengases, so bildet sich nur zu einer Bipolarplatte 11 eine leitfähige Verbindung aus, da das leitfähige Element 125 _I durch die Strömung 121 einem Fähnchen gleich im Kanal gehalten wird. Versiegt die Strömung 121 fällt das leitfähige Element 125 _II an seinem nicht fest verbundenen Ende durch die Schwerkraft in Richtung der zweiten Bipolarplatte 11 und bildet somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Bipolarplatten 11 aus und ermöglicht somit einen Potentialausgleich unter Umgehung der Membran-Elektroden-Einheit. Flows in the flow channel 122 a flow 121 of the reactant gas, so it forms only to a bipolar plate 11 a conductive connection, since the conductive element 125 _I through the flow 121 a flag is held right in the canal. Run off the flow 121 falls the conductive element 125 _II at its non-fixed end by gravity in the direction of the second bipolar plate 11 and thus forms an electrically conductive connection between the two bipolar plates 11 and thus enables a potential equalization, bypassing the membrane electrode assembly.

Eine weitere Alternative für einen Potentialausgleich über die benachbarten Bipolarplatten 11 ist in 9 gezeigt. 9 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung zweier Bipolarplatten 11. Die Bipolarplatte 11 ist in Aufsicht gezeigt und weist im inaktiven Bereich 21 eine Öffnung zur Ausbildung eines Kanals 130 für ein leitfähiges Fluid auf. Der Kanal 130 führt durch den gesamten Brennstoffzellenstapel und ist auf jeder Bipolarplatte 11 durch ein Dichtmaterial 16 umlaufend begrenzt. Another alternative for equipotential bonding over the adjacent bipolar plates 11 is in 9 shown. 9 shows a schematic exploded view of two bipolar plates 11 , The bipolar plate 11 is shown in supervision and points in the inactive area 21 an opening for forming a channel 130 for a conductive fluid. The channel 130 passes through the entire fuel cell stack and is on each bipolar plate 11 through a sealing material 16 circumscribed limited.

Durch den Kanal 130 wird im Stand der Brennstoffzelle ein leitfähiges Fluid, beispielsweise ein Fluid mit hohem ionischen Anteil, geführt, welches die Bipolarplatten 11 des Kanals 130 elektrisch leitfähig miteinander verbindet. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird das Fluid wieder abgelassen. Somit können außerhalb des Betriebs der Brennstoffzelle Ausgleichsströme zum Potentialausgleich direkt zwischen den Bipolarplatten 11 fließen. Through the channel 130 In the state of the fuel cell, a conductive fluid, for example a fluid with a high ionic content, is guided, which leads to the bipolar plates 11 of the canal 130 electrically conductive interconnects. During operation of the fuel cell, the fluid is drained again. Thus, outside the operation of the fuel cell equalizing currents for potential equalization directly between the bipolar plates 11 flow.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Einzelzellspannungsüberwachung Single cell voltage monitoring
2 2: äußerer Stromkreis external circuit
10 10: Brennstoffzelle fuel cell
11, 11‘11, 11 ': Bipolarplatte bipolar
12 12: Anode anode
13 13: Kathode cathode
14 14: Membran-Elektroden-Einheit Membrane-electrode assembly
15 15: PTC-Widerstandselement PTC resistive element
16 16: Dichtmaterial sealing material
17, 17‘17, 17 ': Kontaktelement contact element
18 18: Isolator insulator
19 19: Abschnitt des inaktiven Bereichs Section of the inactive area
20 20: aktiver Bereich active area
21 21: inaktiver Bereich inactive area
22 22: Dichtungselement sealing element
100 100: Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
111 111: Spannelement clamping element
112 112: Endplatte endplate
120 120: Verteilerbereich distribution area
121 121: Strömung flow
122 122: Strömungskanal flow channel
123 123: Subgasket Subgasket
125_I 125 _I: leitfähiges Element im Betrieb der Brennstoffzelle conductive element during operation of the fuel cell
125_II 125 _II: leitfähiges Element im Stand conductive element in the state
130 130: Kanal für leitfähiges Fluid Conductive fluid channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 20100035090 A1 [0008]

Claims

Fuel cell ( 10 ) comprising two stacked bipolar plates ( 11 . 11 ' ) each having at least one active area ( 20 ) and at least one inactive area ( 21 ), characterized in that between two adjacent bipolar plates ( 11 . 11 ' ) in a section ( 19 ) of the inactive area ( 21 ) a PTC resistor element ( 15 ) is arranged such that this in dependence on an operating temperature of the fuel cell ( 10 ) the two bipolar plates ( 11 . 11 ' ) electrically conductively connects to each other.

Fuel cell ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the section ( 19 ) of the inactive area ( 21 ) by a bipolar plates ( 11 . 11 ' ) sealing material ( 16 ) is circumferentially limited.

Fuel cell ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the PTC resistance element ( 15 ) in one the bipolar plates ( 11 . 11 ' ) is embedded sealing material.

Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plates ( 11 . 11 ' ) in the area of the section ( 19 ) have a recess and / or depression, in which the PTC resistance element ( 15 ) is arranged.

Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the PTC resistance element ( 15 ) via a contact element ( 17 , 17 ') with at least one of the two bipolar plates ( 11 . 11 ' ) is electrically connected.

Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the PTC resistance element ( 15 ) via a first contact element ( 17 ) with a first of the two bipolar plates ( 11 ) and via a second contact element (17 ') with a second of the two bipolar plates ( 11 ' ) is electrically connected.

Fuel cell ( 10 ) according to claim 6, characterized in that between the first contact element ( 17 ) and the second bipolar plate ( 11 ' ) and / or between the second contact element ( 17 ' ) and the first bipolar plate ( 11 ) an insulator ( 18 ) is arranged.

Fuel cell ( 10 ) according to one of claims 5 to 7, characterized in that the contact element ( 17 ) is designed as a wire, spring, plate or rod.

Fuel cell stack ( 100 ) comprising a plurality of fuel cells ( 10 ) according to any one of the preceding claims.